儲(chǔ)i3000-156x50（2）.jpg)
1 整體構(gòu)件的應(yīng)用及加工現(xiàn)狀
在先進(jìn)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，整體構(gòu)件設(shè)計(jì)被越來(lái)越多地采用，如整體葉輪、整體擴(kuò)壓器、整體機(jī)匣等。整體構(gòu)件的設(shè)計(jì)制造逐漸成為先進(jìn)航空航天動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造的發(fā)展方向，對(duì)于實(shí)現(xiàn)武器裝備輕量化、小型化、自動(dòng)化、全壽命可靠、高性能價(jià)格比等目標(biāo)，具有重要推動(dòng)作用。另外，在現(xiàn)代高速列車(chē)、大型船舶、先進(jìn)渦輪機(jī)械等工業(yè)產(chǎn)品中，整體構(gòu)件設(shè)計(jì)也逐漸獲得應(yīng)用，對(duì)于增大功率、提高速度、提高產(chǎn)品可靠性，以及節(jié)能減排、改善環(huán)境，都具有重大意義。
然而，由于整體構(gòu)件的幾何構(gòu)形復(fù)雜并且材料難于加工，其整體制造已經(jīng)成為世界性制造技術(shù)難題，各先進(jìn)工業(yè)國(guó)都在努力研究開(kāi)發(fā)相關(guān)制造技術(shù)，以求優(yōu)質(zhì)、高效、低成本、快速響應(yīng)地制造整體構(gòu)件。對(duì)于一般由不銹鋼、鋁合金、甚至部分鈦合金材料制成，加工可達(dá)性較好的敞開(kāi)式整體構(gòu)件，傳統(tǒng)加工工藝（如數(shù)控銑削、精密鑄造等）已經(jīng)能夠較好地完成加工，即便如此，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家仍在大力研究新工藝、新方法，以求降低生產(chǎn)成本、提高加工精度；但對(duì)于由高溫合金等難切削材料制成，加工可達(dá)性很差的閉式、半閉式薄壁整體構(gòu)件的整體制造難題，特種加工技術(shù)將是解決其加工問(wèn)題的首選工藝方法，尤其在實(shí)現(xiàn)真正的整體制造（非傳統(tǒng)上的先進(jìn)行分體加工，然后再裝配聯(lián)接或焊接成整體構(gòu)件的制造）中將占有重要地位。
2 整體構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝難點(diǎn)
從制造的角度，整體構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：
（1）構(gòu)件上的氣流通道多為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異形型腔，部分是二維彎扭，有的甚至是空間三維彎扭，其通道狹窄，甚至是封閉的；
（2）每個(gè)構(gòu)件上都包含有幾十個(gè)、甚至百余個(gè)復(fù)雜氣流通道或特征結(jié)構(gòu)，且其型面精度要求高；
（3）為提高產(chǎn)品綜合性能，出于減重的需要，整體構(gòu)件多為薄壁結(jié)構(gòu)件。
除上述幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外，其制成材料也多為高強(qiáng)、高硬、高溫耐熱合金，使得整體構(gòu)件特別難加工，尤其對(duì)于閉式整體構(gòu)件，使得其成為世界性制造難題，其制造難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）加工可達(dá)性差。閉式整體構(gòu)件，其氣流通道空間彎扭程度大，通道又比較狹窄，使得刀具可達(dá)性極差，有些甚至通過(guò)復(fù)雜空間運(yùn)動(dòng)也無(wú)法利用直柄刀具到達(dá)所有加工部位，即使采用特種加工技術(shù)，也需要解決許多技術(shù)難題。
（2）材料難切削。高溫合金材料的大量使用使得傳統(tǒng)切削加工刀具成本高，很多情況下需要進(jìn)口刀具。
（3）工藝穩(wěn)定性、可靠性要求高。每個(gè)整體構(gòu)件上含有的型腔或葉片等結(jié)構(gòu)數(shù)量從幾個(gè)到百余個(gè)不等，為了保證零件上同一結(jié)構(gòu)的加工精度與表面質(zhì)量一致性，要求加工過(guò)程非常穩(wěn)定，可稱(chēng)得上需要萬(wàn)無(wú)一失。
（4）對(duì)加工設(shè)備的要求高。整體構(gòu)件上的氣流通道或一些特殊結(jié)構(gòu)多為復(fù)雜型腔或自由曲面，其型面精度要求高，一般需要四軸以上聯(lián)動(dòng)的精密加工設(shè)備才能完成加工，故設(shè)備投資大。
（5）工具設(shè)計(jì)制造和數(shù)控加工編程都相當(dāng)復(fù)雜。特種加工一般為非接觸式加工，加工過(guò)程中工具和工件之間需保持一定的加工間隙，成形規(guī)律及工藝參數(shù)控制相對(duì)復(fù)雜，需要結(jié)合具體加工對(duì)象進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。另外，多個(gè)加工分區(qū)的接刀問(wèn)題及多工序的工藝基準(zhǔn)統(tǒng)一問(wèn)題也需要重點(diǎn)考慮，目前還沒(méi)有成熟的商業(yè)設(shè)計(jì)軟件可供直接使用，需要結(jié)合加工工藝自主開(kāi)發(fā)。
因整體構(gòu)件的顯著優(yōu)點(diǎn)，各國(guó)大力研究其相關(guān)制造技術(shù)，特別是特種加工技術(shù)的研究和發(fā)展，大大促進(jìn)了整體構(gòu)件設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，也逐步提高了對(duì)整體構(gòu)件加工工藝性的全面認(rèn)識(shí)，主要表現(xiàn)為：
（1）相對(duì)于分體結(jié)構(gòu)的幾種零件加工而言，整體構(gòu)件允許的公差范圍增大了，就此而論，其加工難度又相對(duì)降低了。
（2）省去了許多需加工的零件，特別是省去了高精度要求的加工零件和加工工序，工序高度集中，更利于保證加工精度。以整體葉輪為例，省去了許多固緊用零件螺釘或鎖片，以及許多精度達(dá)0.01mm、0.015mm的榫齒、榫槽加工工序，縮短加工時(shí)間，降低加工成本。
（3）隨著整體構(gòu)件新加工技術(shù)的出現(xiàn)，上述加工難點(diǎn)也逐漸變得不再困難。如數(shù)控電解加工、數(shù)控電火花加工以及它們組合加工的出現(xiàn)，使得任何高強(qiáng)、高硬金屬材料都同樣容易加工，且大大增強(qiáng)了整體構(gòu)件、尤其是閉式整體構(gòu)件的加工可達(dá)性，同時(shí)加工效率提高，加工成本降低。
3 整體構(gòu)件特種加工技術(shù)具體應(yīng)用案例分析
特種加工技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍工生產(chǎn)當(dāng)中，其中整體葉輪的電解加工是目前比較成功的應(yīng)用案例。整體葉輪的葉型彎扭，葉身超薄，葉片進(jìn)、排氣邊曲率變化急劇，兩相鄰葉片間通道狹窄，同時(shí)廣泛采用高溫合金、鈦合金等難加工材料，精度、表面質(zhì)量等方面的技術(shù)要求也十分苛刻，這些特點(diǎn)給制造帶來(lái)極大困難。根據(jù)德國(guó)最大的航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造集團(tuán)——MTU的分析，在今后的10-15年，整體葉輪的主要制造方法有三種，分別是：電解加工、數(shù)控銑削和線(xiàn)性摩擦焊。其中線(xiàn)性摩擦焊占不到10%的份額（現(xiàn)有份額不足1%），電解加工和高速切削各占45%左右，而在軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，電解加工所占比例更大。
與數(shù)控銑削、線(xiàn)性摩擦焊相比，電解加工具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：
1）加工效率高、生產(chǎn)成本低。電解加工基于金屬材料陽(yáng)極電化學(xué)溶解的原理實(shí)現(xiàn)材料加工，加工效率很高且無(wú)工具損耗。與數(shù)控銑削相比，每加工一個(gè)高溫合金整體葉輪，僅刀具費(fèi)用一項(xiàng)就可以節(jié)省數(shù)十萬(wàn)元。電解加工的工具成本幾乎可以忽略不計(jì)，成本僅為水、電費(fèi)用，幾乎可稱(chēng)為“零成本”加工。德國(guó)MTU公司將電解加工技術(shù)作為整體葉輪加工的主要手段，為EJ200、F414發(fā)動(dòng)機(jī)中的整體葉輪進(jìn)行了電解加工；GE公司與Lehr-Precision Inc公司合作采用研制的電解加工機(jī)床及相應(yīng)加工工藝，加工了T700、GE37/ YF120 發(fā)動(dòng)機(jī)的整體葉輪；在國(guó)內(nèi)，電解加工也已成功應(yīng)用于航空航天、武器裝備發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪的研制和生產(chǎn)，如航天211廠(chǎng)采用套料電解加工技術(shù)成功加工了等截面整體葉輪；南京航空航天大學(xué)大學(xué)采用數(shù)控展成電解開(kāi)槽后再對(duì)葉片型面進(jìn)行精密電解加工，研制了專(zhuān)用數(shù)控電解加工設(shè)備，持續(xù)開(kāi)展了20余年整體葉輪電解加工工藝技術(shù)研究；北京航空制造工程對(duì)電解加工裝備及整體葉輪電解加工工藝也開(kāi)展了深入研究。與數(shù)控銑削相比，數(shù)控電解加工的加工時(shí)間可減少50%～85%(對(duì)長(zhǎng)葉片加工省時(shí)更多)，并大大降低了工具成本。
（2）非常適合通道狹窄、葉片彎扭及超薄葉型整體葉輪的加工。隨著航空航天、武器裝備發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，整體葉輪的形狀設(shè)計(jì)也不斷變化，窄通道、大扭角、低展弦比、超薄掠形整體葉輪的不斷出現(xiàn)，數(shù)控電解加工是解決其制造難題的有效工藝技術(shù)。如專(zhuān)為GE做航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件配套的主要制造商Sermatech公司，其在為GE生產(chǎn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪、葉片、機(jī)匣等重要零部件中均采用電解加工技術(shù)，相比數(shù)控銑削，整體葉輪的尺寸偏差降低了8%；葉間通道寬度可減少10-15%。此外，美國(guó)GE-AE、英國(guó)R.R.、德國(guó)Koeppern Co.等許多企業(yè)均開(kāi)展了整體葉輪的精密電解加工技術(shù)研究。
4 整體構(gòu)件特種加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
在新型航空航天中大量采用的新結(jié)構(gòu)、新材料，為特種加工技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的應(yīng)用前景，為了更加優(yōu)質(zhì)、更加高效、更加低成本地加工整體構(gòu)件，各先進(jìn)工業(yè)國(guó)大力創(chuàng)新發(fā)展特種加工新技術(shù)，其發(fā)展趨勢(shì)如下：
（1）向著更加穩(wěn)定、更加優(yōu)質(zhì)、更加高效的加工目標(biāo)高速發(fā)展。整體構(gòu)件上一般分布著幾十、甚至上百個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的型腔、型面，且精度和表面質(zhì)量要求高，因此，如何提高整體構(gòu)件的加工精度、加工穩(wěn)定性和加工效率，從而降低加工成本，對(duì)推廣整體構(gòu)件特種加工技術(shù)的應(yīng)用，具有重要作用。
（2）基于加工原理拓展新加工技術(shù)。如為改進(jìn)特種加工性能而發(fā)展新技術(shù)措施，或者尋求復(fù)合加工技術(shù)途徑，以解決特殊材料、特殊結(jié)構(gòu)、特殊要求（如高精度微細(xì)加工）的難題，是特種加工技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)，也是整體構(gòu)件特種加工的發(fā)展趨勢(shì)。
（3）基于技術(shù)集成創(chuàng)新加工技術(shù)。如將兩種或兩種以上的加工工藝進(jìn)行有機(jī)組合，合理應(yīng)用相關(guān)數(shù)字化制造技術(shù)，進(jìn)行技術(shù)集成創(chuàng)新，是整體構(gòu)件特種加工技術(shù)的主要發(fā)展方向，尤其是對(duì)于閉式整體構(gòu)件的整體制造，提升關(guān)鍵構(gòu)件的可加工能力，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣闊的發(fā)展空間。
（4）研制高精度、高可靠性的特種加工裝備。加工裝備是實(shí)現(xiàn)加工技術(shù)的載體，沒(méi)有先進(jìn)的加工設(shè)備就難于在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的加工技術(shù)；而反之，先進(jìn)加工設(shè)備的設(shè)計(jì)，又來(lái)源于先進(jìn)加工技術(shù)構(gòu)思的指導(dǎo)；創(chuàng)新、發(fā)展、完善一項(xiàng)加工技術(shù)，是從研制最初的工藝試驗(yàn)裝置開(kāi)始，到最終完善、落實(shí)到可以實(shí)現(xiàn)該先進(jìn)加工技術(shù)的工藝設(shè)備。對(duì)整體構(gòu)件特種加工新技術(shù)的研究和應(yīng)用同樣如此。
（5）擴(kuò)大推廣應(yīng)用，在應(yīng)用中發(fā)展提高。對(duì)于整體構(gòu)件特種加工這樣一種機(jī)械、電氣、物理、化學(xué)、力學(xué)、計(jì)算機(jī)控制等眾多學(xué)科交叉的集成技術(shù)，其生命力在于創(chuàng)造條件推廣應(yīng)用，在應(yīng)用中繼續(xù)解決具體的技術(shù)問(wèn)題，從而使整體技術(shù)水平得到進(jìn)一步發(fā)展提高?？梢灶A(yù)見(jiàn)，整體構(gòu)件特種加工技術(shù)研究今后一定會(huì)取得更多的研究成果，一定會(huì)在航空航天、渦輪機(jī)械等現(xiàn)代高端產(chǎn)品制造中得到更多的應(yīng)用，在新的難加工材料、新的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體構(gòu)件加工中發(fā)揮無(wú)法替代的作用。
關(guān)注本刊微信訂閱號(hào)